圍繞傳感器應(yīng)用的誤差理論教學(xué)改革與實踐

王文廉

摘要：誤差理論與數(shù)據(jù)處理是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的核心課程，是儀器設(shè)計和工程測試等專業(yè)課程學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)。針對以傳感器設(shè)計應(yīng)用和動態(tài)測試技術(shù)為特色的專業(yè)培養(yǎng)體系，提出建立圍繞傳感器應(yīng)用的誤差理論教學(xué)方法改革。通過傳感器標(biāo)定和傳感器測量數(shù)據(jù)處理等方面的實際應(yīng)用，提高學(xué)生對誤差理論的認(rèn)識，牢固建立誤差分析和處理的意識。

關(guān)鍵詞：誤差理論；傳感器；測控技術(shù)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）30-0154-02

一、引言

工程測量中必然存在誤差，誤差的處理會影響測量數(shù)據(jù)的可靠性。誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的核心課程，學(xué)生對該課程知識的掌握好壞，直接影響其后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，并將對其今后從事的精密檢測、測試系統(tǒng)設(shè)計、質(zhì)量控制、儀器設(shè)計及制造等工作產(chǎn)生持續(xù)深遠(yuǎn)的影響。測控技術(shù)與儀器專業(yè)由儀器儀表及精密測量等多個專業(yè)綜合而成，在全國有兩百多所高校具有此專業(yè)，也大多開設(shè)了誤差理論的相關(guān)課程。其實，自高等學(xué)校首次設(shè)立誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程以來，它便得到了許多大學(xué)的高度重視。目前，除儀器儀表類專業(yè)外，很多學(xué)校在機(jī)電類專業(yè)及測繪類專業(yè)也開設(shè)了該課程。為了提供誤差理論課程教學(xué)質(zhì)量，已經(jīng)提出了較多的教學(xué)方法改革方案[1-3]，或者實踐體系的改革[4]。這些教學(xué)改革大多針對誤差理論和數(shù)據(jù)處理課程理論性較強(qiáng)的特征，通過增強(qiáng)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，利用多種數(shù)據(jù)處理軟件或者綜合平臺對學(xué)生進(jìn)行實踐訓(xùn)練[5]。這些教學(xué)方法的改革可以有效提高學(xué)生對誤差理論和數(shù)據(jù)處理方法的認(rèn)識，改善教學(xué)效果。

在全國高校的測控技術(shù)與儀器專業(yè)中，專業(yè)培養(yǎng)大多具有自己的特色和側(cè)重。對誤差理論課程的教學(xué)應(yīng)該與專業(yè)特色相關(guān)聯(lián)，為后續(xù)的專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)。本文針對傳感器應(yīng)用和動態(tài)測試技術(shù)為特色的專業(yè)培養(yǎng)體系，進(jìn)行圍繞傳感器應(yīng)用的誤差理論課程教學(xué)改革。

二、誤差理論在專業(yè)課程體系中的作用

誤差理論課程在測控技術(shù)與儀器專業(yè)中大多屬于專業(yè)基礎(chǔ)課程，其前修課程包括高等數(shù)學(xué)、概率與數(shù)理統(tǒng)計和線性代數(shù)，它也是工程測試及系統(tǒng)設(shè)計、儀器設(shè)計、儀器應(yīng)用類課程的重要基礎(chǔ)和支撐課程。誤差理論課程內(nèi)容涵蓋誤差性質(zhì)與分析、誤差的發(fā)現(xiàn)、誤差的處理以及基于誤差的回歸分析等，并使學(xué)生建立測量精度和不確定度等概念，這些知識會在自動控制、儀器設(shè)計等課程中得到應(yīng)用。但是學(xué)生在學(xué)習(xí)誤差理論的過程中，由于沒有專業(yè)課和工程實踐的學(xué)習(xí)鍛煉，很難建立實際的應(yīng)用概念，對誤差的理解難以深入。

如果能從一類具體的應(yīng)用出發(fā)，講解誤差的分析、發(fā)現(xiàn)和處理，這有利于學(xué)生對概念的理解。也為學(xué)生的學(xué)習(xí)找到一個方向，找到一個思路。在以傳感器應(yīng)用和動態(tài)測試技術(shù)為特色的培養(yǎng)課程體系中，傳感器始終扮演著重要的角色。從非電量信號的獲取、測量電路的設(shè)計和測試系統(tǒng)特性分析到數(shù)據(jù)的采集和處理，都圍繞著傳感器進(jìn)行。誤差理論在傳感器的標(biāo)定和傳感器誤差分析等方面都扮演著重要的角色，通過在誤差理論教學(xué)中貫穿傳感器應(yīng)用的概念，有利于學(xué)生對誤差概念的理解，更有利于特色專業(yè)課程體系的建立。

三、圍繞傳感器應(yīng)用的教學(xué)方法

圍繞傳感器應(yīng)用的誤差理論教學(xué)方法，并不是只對傳感器相關(guān)誤差知識進(jìn)行教學(xué)。而是將誤差的理論和方法在傳感器這個平臺上進(jìn)行應(yīng)用，鞏固知識加深理解。主要從課堂教學(xué)和實驗實踐環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)方法的探索。

1.課堂教學(xué)。圍繞傳感器應(yīng)用的誤差理論課堂教學(xué)改革主要是改變以前的知識講解思路。誤差理論課程的知識結(jié)構(gòu)主要分為誤差的基本性質(zhì)與處理、誤差的合成與分配、不確定度及回歸分析等幾個部分，常見的課堂教學(xué)主要以理論講解為主，在每個知識點后面會有相應(yīng)的例題。誤差理論課程含有很多抽象概念、公式，內(nèi)容相對來說比較單調(diào)、枯燥，對于沒有測量經(jīng)驗的學(xué)生，往往按照高等數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)習(xí)慣來學(xué)習(xí)誤差，重計算，輕概念。學(xué)生往往記公式，難以靈活應(yīng)用，由此影響了學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)質(zhì)量。

對于以傳感器應(yīng)用和動態(tài)測試為特色的專業(yè)，學(xué)生從大三開始已經(jīng)初步接觸傳感器的概念，同時在學(xué)校的學(xué)生實踐實驗室和各種電子類競賽實驗室都有許多傳感器的應(yīng)用實例，學(xué)生們對傳感器應(yīng)用有了基本的認(rèn)識。所以，可以通過傳感器的應(yīng)用來進(jìn)行誤差理論的學(xué)習(xí)，如圖1所示。針對誤差理論課程中的四個主要知識模塊，以壓力傳感器為例可以有相應(yīng)的應(yīng)用案例。在壓力傳感器的靜態(tài)測量中，可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。通過分析傳感器和測量系統(tǒng)的誤差來源認(rèn)識系統(tǒng)誤差，通過測量數(shù)據(jù)分析隨機(jī)誤差和粗大誤差；對于壓力傳感器加信號調(diào)理電路的測量情況，通過傳感器的誤差和調(diào)理放大電路的誤差可以學(xué)習(xí)認(rèn)識誤差的合成與分配；通過對一種確定的壓力源進(jìn)行測量，計算測量的不確定度；通過對壓力傳感器的標(biāo)定學(xué)習(xí)基于誤差理論的最小二乘法處理及回歸分析等知識點。

2.實驗教學(xué)。目前的誤差理論實驗教學(xué)往往借助計算機(jī)開設(shè)一些數(shù)據(jù)處理的實驗，缺乏對測量誤差及其來源的根本性認(rèn)識。導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)完該課程后，仍不能運用所學(xué)知識指導(dǎo)測試實踐，解決實際問題。通過實際的傳感器采集測量數(shù)據(jù)，可以生動直觀地讓學(xué)生進(jìn)行誤差的分析。我校的測控技術(shù)與儀器專業(yè)具有專門的傳感器原理及應(yīng)用實驗室，不用重復(fù)建設(shè)，學(xué)生就可以完成多種傳感器的實際信號采集。通過應(yīng)用軟件與采集系統(tǒng)對接就可以建立圍繞傳感器應(yīng)用的誤差分析實驗教學(xué)。

以壓力傳感器標(biāo)定進(jìn)行誤差理論課程中的回歸分析實驗教學(xué)，如圖2所示。利用傳感器實驗室的油壓標(biāo)定機(jī)、電壓放大濾波器、數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)處理軟件，通過軟件中誤差分析功能對接，可以進(jìn)行誤差理論的實驗教學(xué)。學(xué)生通過更換油壓標(biāo)定機(jī)的砝碼改變輸入壓力值，獲得多組測量數(shù)據(jù)。學(xué)生利用最小二乘法和回歸分析的知識對這些數(shù)據(jù)處理以得到傳感器的靈敏度。

四、結(jié)論

通過圍繞傳感器應(yīng)用的誤差理論教學(xué)，有助于學(xué)生對誤差概念的理解，幫助學(xué)生找到一個從理論到實踐的通道。利用現(xiàn)有的傳感器應(yīng)用實驗室，通過誤差處理軟件的對接，直接完成了誤差理論實驗教學(xué)的改革。通過近年的誤差理論課程教學(xué)，學(xué)生對誤差理論課程的認(rèn)知程度得到了提高。

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